Escreva as equações químicas balanceadas do processo de digestão da bauxita em solução de potassa à quente. Descreva a estrutura da espécie de alumínio formada em solução.

Passo 1

O que o enunciado pede:
  • Escrever as equações químicas balanceadas do processo de digestão da bauxita em solução de potassa (ou seja, \mathrm{KOH} quente).
  • Descrever a estrutura da espécie de alumínio formada em solução.
Informações relevantes que vou usar (assumidas do enunciado e do que é bauxita):
  • Bauxita é uma mistura de minerais à base de alumínio; os constituintes principais que interessam aqui são:
    • gibbsita, cuja fórmula é \mathrm{Al(OH)_3} (hidróxido de alumínio),
    • boehmita e diaspore, que têm fórmula básica \mathrm{AlO(OH)} (óxido-hidróxido de alumínio),
    • e eventualmente óxido de alumínio \mathrm{Al_2O_3} (quando o minério é calcinado).
  • Em meio fortemente básico (solução quente de \mathrm{KOH}), as fases de alumínio se dissolvem formando espécies aluminato solúveis. O cátion potássio ( \mathrm{K^+}) é o contra-íon em solução.
  • O enunciado não dá quantidades, então apresentarei as equações estequiométricas gerais para cada mineral relevante.

Passo 2

Princípio químico (explicação didática do que acontece):
  • Alumínio em estado oxidado (Al(III)) forma hidróxidos que são anfóteros: reagem tanto com ácidos quanto com bases. Em base forte eles se complexam formando ânions aluminato solúveis.
  • A reação típica do hidróxido de alumínio com hidróxido (base) é a formação do anião tetra-hidróxido de alumínio:
\mathrm{Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-.
  • Se há cátions solúveis como \mathrm{K^+}, o sal correspondente é formado (por neutralidade de cargas), por exemplo \mathrm{K[Al(OH)_4]}.
  • Esta é a ideia central: a base fornece \mathrm{OH^-} que transforma os sólidos de alumínio em a espécie solúvel \mathrm{[Al(OH)_4]^-}.

Passo 3

Equação para a digestão da gibbsita ( \mathrm{Al(OH)_3}):
  • Gibbsite é o hidróxido hidratado \mathrm{Al(OH)_3}. A reação direta com \mathrm{KOH} forma o aluminato de potássio:
\mathrm{Al(OH)_3 + KOH \rightarrow K[Al(OH)_4]}.
  • Verificação rápida de balanço: à esquerda tem Al:1, K:1, O: 3+1=4, H: 3+1=4; à direita cada unidade de \mathrm{K[Al(OH)_4]} contém Al:1, K:1, O:4, H:4 — portanto está balanceada.

Passo 4

Equação para boehmita/diaspore ( \mathrm{AlO(OH)}):
  • Essas fases têm fórmula simplificada \mathrm{AlO(OH)}. Para convertê‑las em \mathrm{[Al(OH)_4]^-} normalmente é necessário acrescentar água além de \mathrm{OH^-}. Uma equação estequiométrica simples é:
\mathrm{AlO(OH) + KOH + H_2O \rightarrow K[Al(OH)_4]}.
  • Cheque de balanço: Al:1 em ambos os lados; K:1; O: esquerda 2+1+1=4, H: esquerda 1+1+2=4; direita O:4 H:4. Está balanceada.

Passo 5

Equação para óxido de alumínio ( \mathrm{Al_2O_3}) — útil se parte da bauxita tiver sido desidratada:
  • Para \mathrm{Al_2O_3} a reação global é:
\mathrm{Al_2O_3 + 2\,KOH + 3\,H_2O \rightarrow 2\,K[Al(OH)_4]}.
  • Verificação de balanço: Al:2 ambos os lados; K:2 ambos os lados; O: esquerda 3 + 2 + 3 = 8, direita 2\times4=8; H: esquerda 0 + 2 + 6 = 8, direita 2\times4=8. Tudo coerente.

Passo 6

Observações práticas (didáticas e úteis para prova):
  • Na prática industrial (processo de Bayer) usa‑se NaOH em vez de KOH, mas a química é análoga: forma-se o ânion \mathrm{[Al(OH)_4]^-} e o cátion correspondente (no caso, \mathrm{Na^+} ou \mathrm{K^+}).
  • Muitos óxidos de ferro presentes na bauxita (por exemplo \mathrm{Fe_2O_3}) são pouco solúveis em base e permanecem como impureza insolúvel (lodo) — por isso a digestion isola alumínio em solução enquanto impurezas ficam sólidas.

Passo 7

Descrição da estrutura da espécie de alumínio formada em solução (explicação detalhada e simples):
  • A espécie dissolvida predominante em solução fortemente básica é o ânion tetra‑hidróxido de alumínio, \mathrm{[Al(OH)_4]^-}.
  • Estrutura e coordenação:
    • O alumínio está no estado de oxidação +3 ( \mathrm{Al^{3+}} formalmente).
    • No anião \mathrm{[Al(OH)_4]^-} o átomo de Al é coordenado a quatro oxigênios de grupos hidroxila ( \mathrm{OH}), formando uma geometria aproximadamente tetraédrica (coordenação 4).
    • Cada uma dessas quatro unidades é um grupo hidroxila ligado ao alumínio; o anião carrega uma carga negativa total ( 1- ) que está essencialmente localizada nas hidroxilas/oxigênios.
    • Em termos de ligação, há interação de doadores de pares de elétrons (oxigênios das hidroxilas) com o orbital vazio do \mathrm{Al^{3+}}; a hibridização do Al pode ser descrita qualitativamente como próxima de sp^3 para acomodar quatro ligações numa geometria tetraédrica.
  • Observação sobre dependência de pH e concentração:
    • Em pH muito alto e a temperaturas de digestão, a forma mononuclear \mathrm{[Al(OH)_4]^-} é a dominante e solúvel.
    • Ao diminuir o pH (ou ao adicionar protões ao resfriar/neutralizar), o ânion se transforma novamente em \mathrm{Al(OH)_3} (precipitação), pela reação inversa:
    \mathrm{[Al(OH)_4]^- + H^+ \rightarrow Al(OH)_3 + H_2O.}
    • Em concentrações intermediárias ou condições diferentes podem também aparecer espécies poliméricas de alumínio, mas para a digestão típica a forma tetra‑hidróxido é a representação mais prática e importante.

Resposta

\mathrm{Al(OH)_3 + KOH \rightarrow K[Al(OH)_4]}
\mathrm{AlO(OH) + KOH + H_2O \rightarrow K[Al(OH)_4]}
\mathrm{Al_2O_3 + 2\,KOH + 3\,H_2O \rightarrow 2\,K[Al(OH)_4]}
A espécie formada em solução é o ânion tetra‑hidróxido de alumínio \mathrm{[Al(OH)_4]^-}, em que o Al(III) está coordenado a quatro grupos hidroxila num arranjo aproximadamente tetraédrico; o cátion \mathrm{K^+} aparece como contra‑íon solúvel (sal \mathrm{K[Al(OH)_4]}).

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